한국 누리호에서도 확인된 대기의 변화
인류가 우주로 쏘아 올리는 로켓은 과학기술의 발전과 새로운 세계를 향한 도전의 상징이다. 올해 4월 미 항공우주국(NASA)의 아르테미스 2호는 반세기 만에 인류를 다시 달 주변으로 실어 날랐다. 그런데 거대한 로켓이 지구를 떠나는 과정에서 대기에는 어떤 변화가 일어날까. 최근 국내외 과학 연구들을 살펴보면 로켓 발사가 지구 상층대기에 예상보다 크고 다양한 흔적을 남긴다는 사실을 알 수 있다.
대만 국립성공대학교 연구팀은 아르테미스 2호 발사 당시 북미 상공에 길이 약 5000㎞에 이르는 거대한 전리층 교란이 발생했다고 분석했다. 지난 7월 공개된 동료심사 이전 논문에 따르면 로켓 발사와 이후 엔진 분사 과정에서 전리층의 전자밀도가 크게 감소하는 현상이 세 차례 관측됐다. 특히 발사 약 2시간 뒤 고도 185㎞ 부근에서 이뤄진 로켓 상단부 엔진 분사가 가장 큰 변화를 일으켰다. 이때 발생한 교란은 지상 발사 과정에서 나타난 것보다 훨씬 강력했다.
전리층은 태양복사에 의해 대기 분자가 이온화되면서 전자와 이온이 존재하는 상층대기 영역이다. 로켓 배기가스는 주변 대기와 화학반응을 일으켜 전자와 이온의 재결합을 촉진하고, 엔진 분사에 따른 압력 변화와 충격파는 대기의 흐름을 바꿔 플라스마를 이동시킨다. 이 과정에서 주변보다 전자밀도가 낮은 영역이 형성된다. 연구팀이 확인한 거대한 구멍 역시 실제로 대기가 뚫린 것이 아니라 전자가 일시적으로 줄어든 공간을 의미한다.
주목할 부분은 이러한 변화가 지상의 위성항법 시스템에도 영향을 줄 수 있다는 점이다. 전지구측위시스템(GPS) 위성이 보내는 전파는 지상 수신기에 도달하기 전 전리층을 통과한다. 이때 전자밀도가 급격하게 달라지면 신호 전달 시간이 변하면서 위치 측정에 오차가 발생할 수 있다. 연구팀은 아르테미스 2호가 일으킨 전리층 교란이 일부 지역에서 수m 수준의 GPS 위치 오차를 유발할 가능성을 제시했다.
로켓이 전리층에 남기는 흔적은 미국의 대형 발사체에서만 나타나는 현상이 아니다. 한국의 누리호에서도 비슷한 변화가 관측됐다. 2025년 9월 학술지 스페이스 웨더에 실린 보고서는 2022년과 2023년 누리호 발사 당시 지상 위성항법 관측망과 위성 관측 자료를 분석했다. 이에 따르면, 로켓 비행경로 주변에서 전자밀도가 감소하는 영역이 형성됐으며, 교란은 약 4시간 동안 지속됐다.
누리호 연구에서는 전리층의 전자밀도 감소뿐 아니라 이온 온도가 수백 K 상승하고 플라스마의 흐름이 달라지는 현상도 확인됐다. 연구팀은 로켓 배기가스의 화학반응과 충격파에 따른 대기 이동이 복합적으로 작용한 결과라고 설명했다. 우주발사체가 통과하는 짧은 순간에도 지구 상층대기의 물리적·화학적 환경이 상당한 변화를 겪는다는 의미다.
로켓의 영향은 일시적인 전리층 교란에 그치지 않는다. 로켓 엔진이 배출하는 검댕 성분인 블랙카본은 태양복사를 흡수해 성층권을 가열할 수 있다. 일부 고체연료 로켓에서 발생하는 염소 화합물은 오존을 파괴하는 화학반응에도 관여한다. 전리층 교란과 달리 이러한 물질의 영향은 대기 조성과 오존층의 장기적인 변화로 이어질 가능성이 있다.
인류의 꿈 싣고 날아가는 로켓, 지구에는 무엇을 남기나②에서 계속
김한별 기자 khstar@sputnik.kr
